Calculation Method for Heavy-Haul Train Rushing Across Slope and Its Application
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(2) 西 南 交 通 大 学 学 报 第50 卷 对 于 列 车 的操纵问题 ,主要研究方向有两个 : 第i 车 的 空 气 制 动 力 F 为 . [ ] 于 由n 节 机 车 车 辆 编 组 而 成 的 列 车 ,可 列 出 一 是 列 车 的 节能操纵研究 ;二是组合列车的制 对 [ ] 动 操 纵 研 究 .目 前 ,对 于 列 车 闯 坡 操 纵 的 研 究 较 n 个运动微分方程 ,组成二阶微分方程组 文采 .本 新 型 显 式 积 分 方 法 对 此方程组进行数值积分[ ] 少 ,仅 在 坡 停 事 故 的 分析中有所提及 ,如文献[89] 用 解 . 提 出 在 不 超 速 情况下 ,尽可能提高坡底速度 ,采用 求 “闯 爬 结 合”的方式通过困难坡道 于这些操纵 1. 2 坡道简化分类方法 .由 牵 引 区 段 内 ,使 牵 引 重 量 受 到 限 制 的 困 难 坡 建 议 并 未 考 虑 具体的线路平纵断面条件及列车编 在 .根 道 称 为 限 制 坡 道 ,其余的坡道则为非限制坡道 组 特 性 ,研 究 结 论 是 定 性 的 ,具 有 一 定 的 局 限 性 . 限 制 坡 道 所 处 的 位 置 和 长 度 不 同 ,可 将 其 分 为 计 本 文 基 于 列 车 纵 向 动 力 学 理 论 ,考 虑 列 车 纵 向 据 [ ] [ ] 算 坡 道 和 动 能 坡 道 1 . , 如 表 所 示 运 动 的 所有因素 ,提出了一种计算列车最低 闯 坡 速 度 的 方 法 ,并结合某重载铁路工程实际 ,开 表1 限制坡道的分类 展 了 长 大 重 载 列 车 在 实 际 坡 道 上 的 操 纵 分 析 ,研 究 Tab. 1 Classification of limited slope 结 果 可 为 司 机 闯 坡 前 的 抢 速 操 纵 提 供 参 考 . 坡 道 名 称 坡 道 特 性 列 车 通 过 方 式 772. Bi. 35. 67. 12. 13. 1011. 1 . 动能闯坡的多质点模型. 列车的多质点模型 研 究 列 车 动 能 闯 坡 问 题 时 ,忽 略 机 车 车 辆 横 在 向 力 和 垂 向 力 的 影 响 ,将 每 节 机 车 车 辆 简 化 为 一 个 只 有 纵 向 自 由 度的质点 ,整列车(由n 节机车车辆 .每 编 组 而 成 )抽 象 为一个多质点的弹簧阻尼系统 节 车 辆 上 的 受 力 情 况 如 图1 所 示 .. 1. 1 . . . . . . . . α. . . 图 第节 车 的 受 力 示 意. 1 i Fig. 1 Schematic force diagram of vehicle i. i. Ci - 1. Ci. Ri. Ti. DBi. Bi. i. i. Ci - 1. Ci - 1. Ci. Ri. Ti. DBi. 由 表1 可 知 ,限 制 坡 道 的 分 类 需 要 根 据 具 体线 路 纵 断 面 的 情 况 ,结合理论和实践的经验来判断 , 需 综 合 考 虑 的 因 素 比 较 多 ,不 适 合 快 速 化 和 流 程 化 地 分 类 . 对 于 已 经 给 定 的 列 车 编 组 ,按 照 列 车 在 计 算 坡 道 上 以 机 车 计 算 速 度 等 速 运 行 时 ,列 车 受 到 的 总 阻 力 和 机 车 计 算 牵 引 力 (乘以牵引力使用系数)相等 的 原 则 ,可 得 到 ,即 G (ω + i )g × 10 + (2) P (ω + i )g × 10 = F λ , 式 中 :G 为 牵 引 质 量 ,t; 机 车 质 量 ,t; P为 F 为 机 车 计 算 牵 引 力 ,kN; 机 车 牵 引 力 使 用 系 数 ,取 为0. 9 [ ]; λ 为 别为计算速度下机车 、车辆单位基 ω 、 ω 分 本 阻 力 ,N / kN; i 为 计 算 坡 度 ; 重 力 加 速 度 g为 . 由 式 (2)可 得 到 给 定 编 组 列 车 的 计 算 坡 度 为 F λ × 10 - (Gω + Pω )g . i = (3) (G + P)g 对 于 已 经 给 定 的 列 车 编 组 及 线 路 平 纵 断 面 ,首 导 出 其 计 算坡度i ,然后将i 与线路 先 按 式 (3)推 -3. 图1 中 ,α 为 第i 节车所处线路断面的坡度 , 其 纵 向 动 力 学 微 分 方 程 为 m x¨ = F - F - F + F - F - F ,(1 ) 式 中 :i = 1 ~ n; m 为 第i 节 车 的 质 量 ; 第i 节 车 的 加 速 度 ; x¨ 为 F 为第i 节车的前车钩力 ,当i = 0 时 , F = 0; 第i 节 车 的 后 车 钩 力 ,当i = n 时 ,F = 0; F 为 F 为 第i 节车的运行阻力 ,包括基本运行阻 力 、坡 道 阻 力 、曲 线 阻 力 、起 动 阻 力 等 ; F 为 机 车 牵 引 力 ,仅 作 用 于 机 车 ; F 为 机 车 的 动 力 制 动 力 ,仅 作 用 于 机 车 ; i. 限 制坡道陡而长 ,或 列车不能依靠动能 虽 不 太 长 , 但 坡 前 线闯 过坡道全长 ,最后 计 算 坡 道路 纵断面困难 ,如靠 以 等 速 运 行 通 过 近 车 站 或 限 速 点 等 车可以利用动能 限 制坡道陡而短 ,坡 列 闯 坡 ,速度渐减但最 动 能 坡 道 前具有提高列车速 后不 低于机车计算 度 的 平 纵 断 面 速 度 通 过 坡 道 全 长. Ci. 0V. x. -3. 0L. x. j. y. j. 14. y. 0L. 0V. x. 3. j. y. 0V. 0L. x. x. x.
(3) 第5 期 王开云,等:重载列车动能闯坡计算方法及应用 773 中 的坡道坡度α 相比较 化的坡道分类方法如 应 .简 的 坡 顶 最 低速度分别为v 、v 、v ,在坡顶速度 示 初始速度坐标系中 ,由A (v ,v )、B (v ,v )、 表2 所 . 点拟合出一条样条曲线 ,如图3 所 C (v , v )3 个 表2 简化的坡道分类方法 据 机 车计算速度v 在拟合的样条曲线上通 示 .根 Tab. 2 Simplified classification of the slopes 过 插 值 得到对应的最低速度v ,即为列车从指 坡 道 分 类 判 定 依 据 定 地 点 开 始 动 能闯坡的最低速度 要说明 ,由于 .需 i >α 非 限 制 坡 道 i <α 中 提出的限制坡道简化分类方法并没有考 1. 2 节 动 能 坡 道 i =α 计 算 坡 道 虑 坡道前的纵断面情况 ,因此在计算出α 各动能 ,还需检验相应 道 闯 坡所需的最低速度v 后 2 最 低速度计算法及其计算流程 坡 坡 道 前 的闯坡条件 .若 坡前有限速点且限速v ≥ , 则 列 车 可 以 利 用 动能通过此坡道 ;若限速 v 在 整 个 动 能 闯 坡 过 程 中 ,机 车 以 最 大 牵 引 力 运 列 车 不 能 采用动能闯坡的方式通过此 行 ,按 列 车所受到的阻力与机车牵引力的大小不 v < v ,则 坡 道 ,可 以 采 用 增 加 补 机 等 其 他 措 施 后 再 进 行 列 车 同 ,可 将 动 能 闯 坡 分 为3 个 . 工 况 能 闯 坡 校 验 .具 . 体 的 计 算 流 程 如 图4 所 示 在 列 车 从 平 道 驶 入 动 能 坡 道 的 过 程 中 ,列 车 所 动 受 到 的 阻力逐渐增大 ,当阻力与机车牵引力相等 时 ,列车的速度达到最高 ,此时列车的位置如 图2(a)所 . 示 ,将 此 过 程 称 为 第1 工 况 在 列 车 驶 出 动 能 坡 道 的 过 程 中 ,列 车 所 受 到 的 阻 力 逐 渐 减 小 ,当阻力与机车牵引力相等时 ,列车 . 的 速 度 达 到 最 低 ,此 时 列 车 的 位置如图2(b)所 示 , 将 此 过 程 称 为 第3 工 况 车 从 最 高 速 度 位 置 驶向 .列 最 低 速 度 位 置 时 ,其受到的阻力先增大后减小 ,列 车 的 速 度 逐 渐 降 低 ,将 此 过 程 称 为 第2 工 . 况 图3 最 低 速 度 计 算 法 示 意 图 t1. t2. b1. b3. t3. t1. b2. t2. t3. j. b min. x x x. b min. x. b min x. b min. . . . . . . . . . . . Fig. 3 Schematic calculation of the minimum speed. α α. (a)列 车 最 高 速 度 的 位 置. .
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(5) . . . α. (αb)列 车 最 低 速 度 的 位 置 车 闯 坡 示 意 图2 列. . Fig. 2 Sketch of train rushing through a slope. 当 采 用 单 质 点 模 型 分 析 动 能 闯 坡 问 题 时 ,列 车 [ ] 最 低 速 度 恰好出现在坡顶位置 ,当采用多质点 模 型 研 究 动 能 闯 坡 问 题 时 ,不 妨 以 首 位 机 车 速 度 及 其 所 处 位 置 作 为 整 列 车 的 速 度 和 位 置 ,则 列 车 最 低 便于叙述 ,仍将其称为坡 .为 速 度 出 现 在 坡 顶之后 顶 速 度 ,并 作 为 列 车 闯 坡 性 能 的 评 判 指 标[ ]. 假 定 计 划 开 行 的 列 车 编 组分别以初速v 、v 、 v 从 动 能坡道前的指定地点出发 ,计算得到其对 13. 10. b1. b3. . b2. . . . 图最 低 速 度 计 算 法 流 程 图. 4 Fig. 4 Flow chart of calculation of the minimum speed.
(6) 西 南 交 通 大 学 学 报. 774. 3 . 工程应用研究. μ = 0. 24 +. 表 列车的主要参数. 3 Tab. 3 Main parameters of the train SS4. 机 车. KM70. 货 车. 23. 23. 2 × 16. 4. 14. 0. MX1. MT2. 13 #. 下 作 用. . . . . . . . . . . . . (4). . 型 电 力 机 车 的 牵 引特性曲线如图5 所示 , 其 中 ,0 ~ 50 km / h 速度段受机车粘着力限制 ,粘 着 系 数 按 式 (4)计 算 . . ,. 17 #. SS4. . 12 100 + 8v. . 式 中 :v 为 机 车 速 度 由 式 (3)计 算 可 知 ,给定编组列车的计算坡度 为6. 1‰,小 于 货 运 支 线的最大坡道 ,因此 ,计划增 开 的 万 吨 列 车 在货运支线上运行需进行动能闯坡 的 计 算 校 验 . 低速度计算法的计算 3. 2 最 出 了 此 货 运 支线的路肩高程图 图6 图 6给 .从 可 以 看 出 ,在K15 ~ K20 范 围内存在一个大坡道区 段 ,具 体 的 平纵断面如图7 所示 ,图7 中 :R 为线 线 路 曲 线 长 度 ,m. 路 平 面 曲 线 半 径 ,m;L 为 从 图7 中 可 以 看 出 ,在 此 区 段 内 存 在 多 个 动能 坡 道 ,由 于 它 们 彼 此 相 邻 或 相 距 较 近 ,因 此 ,将 此 区 段 视 为 一 个 动 能 坡 道 ,可 作 为 最 低 速 度 法 计 算 应 用 . 的 工 况. 工程背景简介 缓 解 我 国 能 源 运 输 的 紧 张 局 面 ,某 运 煤 专 线 为 .此 计 划 增 开 万 吨 重 载 列 车 货 运 干 线 为 我 国 西 煤 东 运的通道之一 ,重车方向最大上坡道坡度为 支 线 为 某 火 电 厂 的 运 煤 线 路 ,重 车 方 向 的最 4. 0‰, 大 上 坡 道 坡 度 为9. 0‰. 计划增开的列车编组形式 车 重 联 牵 引108 辆KM70 货车 ,列车 为2 台SS4 机 的 主 要 参 数 如 表3 所 . 示 3. 1 . 参 数 轴 重/ t 长 度/ m 缓 冲 器 类 型 车 钩 类 型. 第50 卷. . . . . . . .
(7) . . 图路 肩 高 程 图. 6 Fig. 6 Elevation map of road shoulder. . . 假 设 列 车首位机车位于K14 + 100 处时开始 动 能闯坡 ,此时列车的初始速度分别为60. 00、 台 机 车 的 牵 引 手 柄 从 零 档 位 70. 00 、 80. 00 km / h. 两 提 升 至 最 高 档 位 用 时32 s,之 后 一 直 保 持 最 高牵引 档 位 运 行 直 至 通 过 此 区 段 .. . . .
(8) . 图5 . . . . . . . 型 电 力 机 车 牵 引 特 性 曲 线. SS4 Fig. 5 Tractive characteristic curve of SS4 locomotive. .
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(26) . . . . 图大 坡 道 区 段 平 纵 断 面 示 意. 7 Fig. 7 Schematic of plane and vertical sections of long steep slope. 图8 给 出 了3 种 不 同 初速的列车从K14 + 100 如 图9 所 示 ,在 坡 顶 速度 始速度坐标系中 , 初 . 处 运行时 ,其运行速度随线路里程的变化 由D(60,48. 14)、E(70,50. 73 )、F(80,53. 93 )3 点 从 图8 可 以 看 出 ,3 种列车在通过此区段过程中 进 行 样 条 曲 线 拟 合 ,并 在 拟 合 的 曲 线 上 查 找SS4 机 的 最 低 速 度 分 别 为48. 14、50. 73、53. 93 km / h. 车 的 计 算 速 度(v = 51. 50 km / h)所对应的初始速 . j.
(27) 第5 期 王开云,等:重载列车动能闯坡计算方法及应用 775 度 过 插值可以得到点G (72. 8,51. 5 ). 由此可 从 图10 可 以看出 ,列车在通过此区段过程中 .通 知 ,给 定 编 组 的 列车在K14 + 100 处利用动能通过 的 最 低 速 度为51. 62 km / h,与SS4 机车的计算速 大 坡 道 区 段 的 最 低 闯 坡 速 度 为72. 80 km / h. 度51. 50 km / h 相比仅差0. 23% ,因此 ,本文提出 通 过 插 值 计 算 得到列车最低闯坡速度的方法具有 . 较 高 的 精 度 . . . . . .
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(34). 图8 不 同 初 始 速 度 条 件 下 列 车 速 度 与 里 程 的 关 系 Fig. 8 Train speed versus mileage for different initial speeds . .
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(38) . 60.. . . . . . . . . . 图9 坡 顶 速 度 与 初 始 速 度 的 关 系 Fig. 9 Train speed on top of slope versus initial speed. 最低速度法的验证 定 此 货 运支线在K14 + 100 处没有限速点 , 假 由3. 2 节 可 知 列 车 的 最 低 闯 坡 速 度 为72. 80 km / h. 为 验 证 动 能 闯 坡 最 低 速 度 计 算 法 的 精 确 性 ,对 计 划 开 行 的 万 吨 编 组列车在K14 + 100 处以72. 80 km / h 的 初 速 度 实 施 动 能 闯 坡 进 行 了 仿 真 计 算 ,仿 真 结 果 如 图10 所 示 .. 3. 3 . . . . . 实 [1] 夏 波 ,杨 浩 施 长 交路 、提高牵引定数的经济效益 道 运 输 与 经 济 ,2004,28(10):910,60. 分 析 [J]. 铁 XIA Bo,YANG Hao. The economic profit analysis of long locomotives routing and high tonnage rating[J]. Railway Transport and Economy,2004 ,28 (10 ):910 , . . . 基 于 列 车 纵 向 动 力 学 理 论 ,考 虑 线 路 的 平 纵 断 面 因 素 ,提 出 了 一 种 计 算 列 车 动 能 闯 坡 最 低 速 度 的 合 工 程 实际 ,进行了扩编列车动能闯坡最 .结 方 法 低 速 度 的计算研究 ,并对计算结果进行了计算验 证 ,结 果 表 明 ,该 方 法 具 有 较 高 的 精 度 车 闯 坡 操 .列 纵 时 ,建 议 在 动 能坡道前及时提速 ,以使列车闯坡 时 的 速 度 不 低 于 计 算 出 的 动 能 闯 坡 最 低 速 度 . 参考文献: . . . . 结束语. . [2] 袁 敏 红 ,张超 一牵引定数发展始发直达列车 . 统 国 铁 路 ,2007(7):5557. [J]. 中 YUAN Minhong,ZHANG Chao. Unify tonnage rating and develop nonstop train[J]. Chinese Railways, 2007 (7 ):5557. [3] LIU Rongfang,GOLOVITCHER I M. Energyefficient operation of rail vehicles[J]. Transportation Research Part A:Policy and Practice,2003 ,37 (10 ):917932. [4] 李 波 于 遗 传 算 法 的 列 车 节 能 操 纵 曲线寻优[D]. . 基 成 都 :西 南 交 通 大 学 ,2007. [5] 唐 海 川 ,朱 金 陵 ,王 青 元 ,等 种 可 在 线 调 整 的 列 车 . 一 正 点 运行节能操纵控制算法[J ]. 中国铁道科学 , 2013 , 34 (4 ):8994. TANG Haichuan,ZHU Jinling,WANG Qingyuan,et al. An online adjustable control algorithm for ontime. []. . and energy saving operation of trains J . China Railway. Science,2013 ,34 (4 ):8994. . 重 [6] 李 蔚 ,陈 特 放 ,李 辉 ,等 载 组 合 列 车 分 布 动 力 机 车 重 联 控 制 系 统 无线传输同步性研究[J]. 中国铁道 科 学 ,2011,32(6):102106. LI Wei,CHEN Tefang,LI Hui,et al. Research on the. . . . . . . .
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(40). 图10 列 车 速 度 与 里 程 的 关 系 Fig. 10 Train speed versus mileage. . wireless transmission synchronization of the coupling control system for heavy haul combined train and. []. ,. distributed power locomotive J . China Railway Science. , ( ):102106.. 2011 32 6. (下转第795 页).
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